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Nota técnica Experimentación con sistemas en tiempo real para control numérico Por Roberto S. Apóstoli Resumen Mach 2-3, y en Ubuntu, el LinuxCNC del Nist de Se describe la experimentación realizada Estados Unidos. Entre las dieciséis PC, la de con sistemas de control numérico -CNC- en mejor comportamiento en kHz en relación a la tiempo real -RT- para máquinas-herramientas. respuesta/precio ha sido Intel Atom D 525 MW, El objetivo es doble: obtener un sistema CNC funcionando sobre Ubuntu 10.04.4 LTS con el accesible para las micro y pequeñas empre- último LinuxCNC 2.5.1 RTAI del 11 de agosto sas, y lograr además un conocimiento directo de 2012. de aplicación didáctica. En el laboratorio se poseen PC que cubren un amplio espectro en Palabras clave: control numérico CNC, sis- hardware y software, desde una CX486 DX2- temas operativos en tiempo real, enseñanza en 50 (1994) hasta una AMD Phenom II X6 1055T ingeniería industrial. de seis núcleos (2011), con sistemas operativos MS-DOS, DR-DOS, Windows y Linux: Red- 1. Introducción Hat, Ubuntu y Mint. Los programas de CNC se El paso inicial importante para la utilización del han seleccionado por su bajo costo, o del tipo control industrial en tiempo real es el de determi- shareware y open source. Los CNC evaluados nar el tiempo de respuesta o demora (latencia) de son los que corren en una CPU con núcleo (o la computadora personal. Esto significa la habili- kernel) modificado para tiempo real, el cual es dad que tiene la PC para responder ante una so- especialmente indicado para generar los pulsos licitud de interrupción en tiempo real, como existe de control CNC. El grado de eficacia de estos en el control numérico computarizado para má- sistemas se mide en la demora que posee la quinas-herramientas o robots. Se recomienda ex- CPU en responder ante una interrupción solici- perimentar cada caso de PC en particular, midien- tada por los pulsos. Esta demora se denomina do la demora en nanosegundos o en kilohertz. “latencia” (latency) y se mide en nanosegundos Se han realizado mediciones en dieciséis -ns- y/o en su correlato con kHz. Los programas PC del laboratorio agrupándolas en tres niveles ensayados funcionan con DOS: el Indexer LPT, tecnológicos: el DeskNCRT y el TurboCNC; en Windows, el -Básico 26 Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013 -Intermedio seis PC es el Turbo CNC V4.01 (2005-2011) de -Avanzado Dark Engineering, el que posee un programa de inicio calculando automáticamente el rango La tabla 1 muestra los ensayos de latencia de latencias y la frecuencia máxima. Controla de seis PC del nivel básico, las cuales se han el CNC hasta ocho ejes. El tercer programa de mantenido en funcionamiento para aplicaciones CNC es el Desk NCRT (2000), un derivado para experimentales y didácticas de la enseñanza DOS del Enhanced Motion Control -EMC- del en CNC. Los sismteas operativos -SO- utiliza- Instituto NIST. De la tabla 1 se deduce que la dos son el MS-DOS 6.22; el DR-DOS Caldera frecuencia máxima de los pulsos de control po- V7.03 y el DOS dentro del Windows 98. see un cierto correlato con la frecuencia de la La PC 1 es la de iniciación elemental con 8 CPU. Sin embargo, los datos que se infieren de MB de RAM, siendo el primer programa ensa- las PC 4 y 6, aunque ambas similares, no son yado (con el MS-DOS 6.22-1994) para CNC el coincidentes. Esto se debe a que otros factores Indexer LPT versión 3-5 (1993) de Ability Sys- que influyen en la respuesta, aparte de la fre- tems Corp., el cual controla hasta seis ejes. Es cuencia de la CPU: el SO DOS autónomo (no el del tipo TSR -Terminal Stay Resident- que re- W98); el conjunto de los chipset norte y sur; las side en la memoria RAM y permite un control velocidades del bus FSB y de las memorias; las continuo sincronizado con las instrucciones de placas de video y el monitor. las aceleraciones (look ahead). Con el comando La PC 4 es la elegida de este grupo y está max_speed? se mide la velocidad de pulsos. En controlando con el Turbo CNC la fresadora este caso ha dado 65.535 pasos/segundos. Se experimental-didáctica Elinon 0 de cuatro ejes han efectuado mecanizado con interpolaciones con gran estabilidad y repetibilidad de los pul- lineales y circulares en dos dimensiones con ar- sos entregados a los motores paso a paso a tra- chivos realizados con DesignCAD en HPGL, lo- vés del puerto paralelo 3BC (en hexadecimal). grándose ejemplares de calidad didáctica acep- A pesar de no poseer el look ahead y la presen- table. El segundo programa ensayado en estas tación gráfica del mecanizado, este programa PC CPU 1 2 486DX2-50 ADM586 Veloc. CPU 50 MHz 84 MHz 3 Pentium S-100 99 MHz 4 5 6 Pentium MMX-233 Pentium MMX-200 Pentium MMX-233 233 MHz 200 MHz 233 MHz Sistema operativo Programa de prueba Frec. pulsos Máx./Hz MS-DOS 6.22 MS-DOS 6.22 DR-DOS/Caldera V7.03 MS-DOS 6.22 DOS/Windows 98 SE DOS/Windows 98 SE Turbo CNC//Indexer LPT Turbo CNC 6.872//65.535 18.781 Turbo CNC 24.326 Turbo CNC//Dek NCRT Turbo CNC Turbo CNC 48.812//71.428 24.052 32.709 Tabla 1 Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013 27 Nota técnica es uno de los más utilizados en el SO DOS. Matrox AGP G200A y las Intel AGP 740, cada En el otro trabajo presentado en el congreso una con 8 MB de video RAM. ACCA 2012, el autor expuso las experiencias didácticas realizadas con este sistema Elinon0 Los resultados volcados en la tabla 2 se – DOS - Turbo CNC de un mecanizado CNC realizaron con los siguientes programas de Li- interpolando en 3D (G01 en cuatro ejes AXYZ) nuxCNC: Ubuntu 6.06, el 2.3.4.1 de octubre de sobre un vaso cónico una figura similar a la le- 2009 y con el Ubuntu 8.04 el 2.4.7 del 23 de tra griega lambda. marzo de 2011 (Emc2:2.6.24-16 rtai). Se corrió La tabla 2 exhibe la experimentación de las un programa “glxgears” escrito en OpenGL: son demoras en cinco PC de nivel intermedio, las tres engranajes girando en un cuadro de 50 mi- cuales son todas similares en cuanto al aspecto límetros de ancho por 70 de altura. tecnológico: son CPU Pentium II de 400 MHz El tiempo de ensayo total abarcó unas seis con el chipset i440Bx, 256 MB de memoria horas, divididas en dos partes: la primera de RAM. L2 caché de 512 kB, discos rígidos de una hora para estabilizar el sistema, luego se 4,6 GB. Los SO han sido Ubuntu, el 6.06 del reinició el programa para experimentar la laten- 2006 y el 8.04 del 2008. cia durante otras cinco horas. Previo a estos ensayos se han probado ante- A los fines de obtener una comparación riormente, con estas PC, placas de video: la ATI respecto de las respuestas en las cadenas de 3D Rage IIC Mach 64II PCI, la SIS 6326 AGP y video con placas y monitores, se han volcado la ATI Radeon AGP 4X RV de 64 MB de RAM. en la tabla 2 los resultados obtenidos con tres Los valores de latencia obtenidos (>10.000 ns) monitores distintos: son incompatibles con las respuestas espera- - Un led LG E2340V de 23'' con máxima resolu- das en tiempo real. De acuerdo a las recomen- ción de 1.929 por 1.080 píxeles a 60 Hz vertical daciones de LinuxCNC, se instalaron las placas - Un led LG Flatron 1530S de 15'' con 1.024 PC Placa madre Placa de video Sistema operativo 7 Compaq Desktop Matrox AGP G200 Ubuntu 8.04 8 Brilliant Intel AGP 740 Ubuntu 6.06 9 Intel 10 11 Compaq Desktop Compaq Desktop Matrox AGP G200 Matrox AGP G200 Matrox AGP G200 Ubuntu 8.04 Ubuntu 8.04 Ubuntu 8.04 Latencia ns c/ Frecuencia Latencia ns Frecuencia monitor máx./Hz c/monitor máx./Hz 14.632 Led/ 11.711 44.052 50.761 LG/23 CRT/795 17’’ 12.381 Led/ 45.019 LG/15 14.272 Led/ 11.955 44.843 50.251 LG/23 CRT/795 17’’ 13.500 Led/ 10.009 46.511 55.555 LG/23 CRT/795 17’’ 13.900 Led/ 10.621 45.662 53.475 LG/23 CRT/795 17’’ Tabla 2. Ensayos de latencia de la configuración de nivel intermedio 28 Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013 por 768 píxeles a 60 Hz - Un CRT Samsung 795 de 17'' con 1.152 por 864 a 75 Hz Si bien los valores medidos son aproximadamente equivalentes, se deduce que: - Las placas de video Matrox G200A 64 bits Dual Buses Calao (año 1999) entregan la máxima resolución a los monitores led a una muy baja latencia. - Los monitores CRT 795 respondieron a la mayor frecuencia de trabajo para los pulsos de control: 55.555 en la PC 10. Figura 2. Simulación 3D con TKEmcBackPlot La figura 1 presenta la instantánea de panta- por 864 píxeles, 24 color. Se ensayó el SO Linux lla de la PC 10 Compaq con monitor Samsung Red Hat 6.2 con el CNC BDI 2.20 (Brain Dead In- 795, el SO Ubuntu 8.04-rtai-2.4.7, el medidor terface), kernel 2.2.18 (NIST-2002) simulando el de latencia (9.919 ns, valor final con seis horas: mecanizado 3D_Chips.ngc. (Ver la figura 2.) 10.009 ns) y los cuadros por segundo (FPS) en los tres engranajes girando. Este sistema CNC también ha sido el primer control funcionando en RTLinux-Red Hat 6.2 utilizado en el 2004 para mecanizar en 2D con la fresadora experiental didáctica a CNC Elinon I. Luego, en 2009, en esta PC 12 se incorporó el SO Ubuntu 8.04 con 256 MB de RAM y placa de video Matrox Millenium 450. Sin embargo, los resultados de latencia han sido inaceptables: 401.636 ns. También valores inapropiados, entre 268.038 y 287.252 ns, se presentaron con la PC 16 Pen- Figura 1. Ensayos de latencia en LinuxCNC 8.04 tium 4 de 1,3 GHz, 1 GB de RAMbus, chipset Intel i850 y SO Ubuntu 8.04. En enero de 2012 se ha instalado en esta La PC 12 es una AMD K6 2-500 (2001), disco misma Pentium P4, con resultados altamente de 1 GB, memoria RAM de 125 MB, placa de video satisfactorios para usos administrativos, Voodoo VGA 3D FX PCI de 16 MB video RAM, mo- multimedia e Intenet, el SO Linux Mint 8 Helena nitor Samsumg de 15'' GLI con resolución de 1.152 (derivado del Ubuntu 9.10 Karmin Koala de Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013 29 Nota técnica octubre de 2009). De acuerdo a Distrowatch, el Para aislar un núcleo, y de acuerdo con Li- SO Mint se ubica entre los primeros puestos en nuxCNC se debe editar en la terminal de Ubun- el ranking internacional de Linux: tu lo siguiente: - Mint 5 Elissa 3° en 2008 - Ubicarse en root con sudo gedit - Mint 8 Helena 3° en 2009 - Escribir la contraseña - Mint 12 Lisa 1° en 2011 - Abrir el editor de texto y buscar en Sistemas - Mint 13 Maya 1° en 2012 de Archivos la cadena etc/default/grub - En la línea GRUB_CMDLINE_Linux=”” in- La tabla 3 presenta la matriz de valores lo- sertar entre comillas “isolcpus=1” grados en las mediciones con las PC más ac- - Se tiene GRUB_CMDLINE_Linux=”isolcpus=1” tualizadas que se poseen, con el mismo proce- - Guardar el archivo dimiento de las seis horas de prueba. - Cerrar el editor de texto gedit La PC 13 contiene un doble sisema opera- - Aplicar los cambios tipeando “sudo update-grub” tivo: el Ubuntu 10.04.02 de abril de 2010 y el - Pulsar enter para actualizar el cambio a una CPU Windows XP SP3 (2002), en el cual se instaló - Reiniciar la PC el CNC Mach2 comercial del 2004. La 14 y la 15 - Verificar con el monitor del sistema que haya son PC de doble núcleo (dos CPU) que no res- una sola CPU operativa pondieron en RT apropiadamente en relación a su velocidad y estructura. Para mejorar su res- Se analizará el caso de la PC 15 Intel Atom puesta a RT se recomienda: D525MW conectada al monitor LG Led de 23'' - Desactivar el HT, Hyper-Threading con resolución de 1.929 por 1.080 a 60 Hz. En - Si es posible, desactivar el video incorporado esta PC se ha instalado el SO Ubuntu 10.04.4 y reemplazarlo por una placa externa elegida LTS para el LinuxCNC 2.5.1, última versión - Desconectar un núcleo del 11 de agosto de este año 2012. La figura PC CPU c/video integrado Sistema operativo Latencia ns c/ Frecuencia Latencia ns c/ monitor Led/ máx./Hz monitor LG/23 39.500//Mach2 mill Comercial 21.052//45.321 (2004) Ubuntu 10.04.02// Windows XP Ubuntu 1 CPU: 2 CPU: 22124 10.04.4 c/ 14 Intel Core 2 Duo 1,86 GHz 20787//2 CPU: 34.722//33.898 Samsung LinuxCNC 2.5.1 21415 LCD/940 20’’ 11/08/2012 Ubuntu 1 CPU: 1 CPU: 16374 Intel Atom Dual Core 525 10.04.4 c/ 15 15.726//2 CPU: 42.016//30.959 Samsung MW 1,8 GHz LinuxCNC 2.5.1 24.229 CRT/795 17’’ 11/08/2012 13 Celeron D335 DJ 2,8 GHz 30 Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013 Frecuencia máx./Hz 33.222 40.983 3 muestra el resultado con dos CPU obteniéndose, luego de seis horas, una latencia final de 24.229 ns. La figura 4 exhibe el comportamiento de un CPU, lográndose una latencia final (a las seis horas) de 15.726 ns. Esto es inferior al 35% respecto de dos CPU, y calculando la velocidad de respuesta con el driver PDMX-150 de ocho micropasos, significa también una ganancia del 35%. Las PC tipo Atom brindan lo más actualizado del Ubuntu-LinuxCNC al mejor precio de plaza: las placas madres Atom Figura 3. Ensayos de latencia en Atom con dos CPU D525MW y la Gigabyte GA-D525TUD cuestan en Estados Unidos, cada una, aproximadamente, 90.000 dólares. La figura 5 muestra el monitor led de 23'' con la Atom D525MW funcionando en el SO Ubuntu 10.04.4 el gráfico en 3D Axis de LinuxCNC 2.5.1 (11/08/2012) el programa de mecanizado tridimensional. Se observa a la derecha del panel PYVCP de visualización de los comandos de la máquina CNC, el cual es programable por usuario. El LinuxCNC 2.5.1 puede controlar hasta nueve ejes CNC, y se icluyen ejemplos Figura 4. Ensayo de latencia en Atom con una CPU de máquinas con tres, cuatro, cinco ejes y de robots antropomorfos (brazo puma). La PC Atom D525MW con la placa PCI Mesa La PC 17 es una AMD Phenom II 1050T de 5i20 (es una FPGA Xilinx Spartan II 200K) y la seis núcleos, 8 GB de RAM, dos discos rígidos, placa mesa Ti33TA de 4 DAC conjuntamente el con monitor LG led de 23 '', y está destinada al firmware denominado “Hostmot 2” permitirán CAD/CAM, tratamiento de fotografías, y elabora- controlar, con otros drivers, los doce ejes de la ción de filmaciones de películas para el desarrollo celda flexible CELFLEX la que se encuentra en del curso multimedia sobre CNC. Posee un siste- estado avanzado de contrucción y que ya fue ma de inicio doble con el SO Windows 7 y el SO presentada en el Congreso Mundial Bicentena- Mint 12 (basado en el Ubuntu 11.10 de 2011). rio 2010 de Ingeniería. Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013 31 Nota técnica video ATI Radeon EAH 2400XT con 1 GB RAM. Latencia: 30.830 ns - CPU Intel D525MW doble núcleo 1,8 GHz SO Ubuntu 10.04. Latencia: 11.921 ns En estos casos tomados como ejemplos no se cita: - El tiempo invertido en el ensayo - El tipo de monitor y la resolución utilizada - Si se usaron una o dos CPU con isolcpus=1 - Si se corrió el gráfico dinámico OpenGl-gears - Si se desconectaron el sonido y la red Figura 5. LinuxCNC 5.2.1 (2012) corriendo en Ubuntu 10.04.4 el mecanizado 3D chips.ngc Esta escueta información induce a tener ciertas dudas antes de elegir una determinada PC para RT. Las recomendaciones de LinuxCNC en 2. Comentarios Tweaking (7/7/2012) taxativamente dicen en Se han ensayado en el laboratorio unas die- inglés “Motherboards, video cards, USB and a ciséis PC para lograr un panorama sintético de number of other things can hurt the latency. The las opciones que se pueden tener de CNC en best way to find out what are you dealing with is tiempo real de costo accesible, destinado a la to run the RTAI latency test”. experimentación y desarrollo industrial y para Es por ello que se han realizado los citados aplicaciones didácticas. Los tres niveles tec- ensayos en el laboratorio, logrando los resulta- nológicos mencionados, básico, intermedio y dos basados en la propia experiencia. avanzado, se corresponden a los otros tres niveles del curso multimedia de CNC. 3. Conclusiones Algunos valores de latencia obtenidos son Según las experiencias y recomendaciones equiparables a los listados de las PC equivalen- internacionales, y las concretadas por el autor tes presentadas en la matriz por Wiki-LinuxCNC y sus colaboradores, se sugiere que antes de (1/10/2012). En tal lista se exhiben 67 PC apro- utilizar definitivamente una PC como control de badas y cinco no aceptadas. De ella se pueden CNC se realicen los ensayos de latencia citados. extraer como ejemplos: - CPU Intel Core 2 Duo E7400 2,8 GHz video GE Forge 7300 256 MB RAM. Latencia: 22.584 ns - CPU Pentium D915 2,8 GHz doble núcleo 32 Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013 Como criterio básico el autor sugiere lo siguiente: Dado que es una aplicación para controlar máquinas con CNC, obviamente el diseño y la cons- trucción mecánica es el primer paso crucial para avance permanente en esta tecnología estraté- el proyecto integrador de índole mecatrónico. gica de la manufactura altamente competitiva a Iniciar los ensayos con dos PC Pentium II nivel mundial. 400 MHz gemelas, similares a las expuestas en la tabla 2. En el mercado de usados en la Argentina, el precio actual de cada PC operativa completa, con monitor, es de unos cien dólares. En una PC se instalará el Ubuntu 8.04 LTS con el CD, con costo en Estados Unidos de cinco dólares. Esta primera PC servirá con el LinuxCNC 2.4.7 para controlar la máquina. La segunda PC PII incorporará el Linux Mint 5 Elyssa, costo diez dólares. Esta PC operará como banco didáctico para el asistente remoto al curso multi- Bibliografía Por norma editorial no se publican las referencias bibliográficas que dan sustento a este trabajo. Por consultas de esta índole o demás cuestiones referidas al tema tratado, contacta a Roberto Apóstoli, rsapostoli@ arnet.com.ar. Nota: Esta nota puede leerse como la segunda parte de “Desarrollos en mecatrónica aplicados a la formación en control numérico CNC”, publicada en Ingeniería de Control 112, correspondiente a los meses de marzo abril de 2013. media de control CNC al menor costo posible ya que puede reproducir texto, fotos y videos. Para desarrollar el control CNC más avanzado y el diseño CAD/CAM, se instalará una PC Intel Atom D525MW de 1,8 GHz con cuatro GB de DDR3 800 RAM, dos discos rígidos SATA de 500 GB cada uno, monitor LG led de 23'' y pendrive Kingston de 8 o 16 GB. En un primer disco se instalará el Ubuntu 10.04.4 con el LinuxCNC 2.5.1 (hasta ahora el último) y en el segundo, el LinuxMint 12 o 13. Este procedimiento está dirigido en especial para los idóneos mecánicos y estudiantes de ingeniería mecatrónica e industrial que requieren un aprendizaje real propio (hands on), para convertirse en motivados e innovadores emprendedores que apoyarán a las micro y medianas empresas industriales (SME). De esta forma se irá fortaleciendo la autonomía de las decisiones y se garantizará la contnuidad del Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013 33
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